南開大學(xué)提出通過晶格畸變工程有效協(xié)同增強(qiáng)高熵合金電磁波吸收和耐腐蝕性能
2024-06-18 17:16:25
作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù)
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無線電磁波通信技術(shù)和電子設(shè)備為我們的日常生活和軍事行動帶來了極大的便利，然而這些也造成了電磁輻射和電磁干擾等嚴(yán)重的環(huán)境問題，對人類健康和信息安全構(gòu)成威脅。開發(fā)將電磁波轉(zhuǎn)化為熱能或其他能量的高效電磁波吸收材料是解決這些問題的最有效的手段之一。
高熵合金因其具有多元化的組分、可設(shè)計(jì)的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的耐腐蝕性，被認(rèn)為是一種很有前景的電磁波吸收材料。然而，由于高電導(dǎo)率和高介電性導(dǎo)致的阻抗失配嚴(yán)重阻礙了電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部。同時(shí)，對于高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)與電磁性質(zhì)之間的關(guān)系尚不明確。因此，深入研究微納結(jié)構(gòu)與電磁波吸收性能之間的關(guān)系有望改善上述問題。
南開大學(xué)黃毅教授團(tuán)隊(duì)多年致力于電磁隱身及電磁防護(hù)、多頻譜兼容吸波材料設(shè)計(jì)及優(yōu)化、微尺度結(jié)構(gòu)與電磁性質(zhì)調(diào)控等方面的研究，并取得了較好的進(jìn)展。近期又進(jìn)一步提出通過晶格畸變工程有效提升磁性高熵合金的電磁波吸收性能和耐腐蝕性能，相關(guān)研究成果已發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。
研究人員通過高能球磨和退火熱處理制備得到了不同碳含量的高熵合金FeCoNiCuCx。研究發(fā)現(xiàn)，引入碳元素和熱處理可以在不同程度上加劇高熵合金內(nèi)部的晶格畸變效應(yīng)。晶格扭曲變形不僅破壞了載流子的遷移路徑，同時(shí)促進(jìn)了點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)等晶格缺陷的形成，因而有效改善了電磁波在材料阻抗匹配特性。此外，電子在運(yùn)動過程中在容易在缺陷處被誘導(dǎo)捕獲，并與帶正電的金屬構(gòu)成偶極子，進(jìn)一步提高了高熵合金極化損耗機(jī)制，產(chǎn)生強(qiáng)電磁波損耗。優(yōu)化后的高熵合金FeCoNiCuC0.37展現(xiàn)出優(yōu)異的電磁波吸收性能，最小反射損耗可以達(dá)到-65.4 dB（2.18 mm），最大有效吸收帶寬為7.99 GHz（1.98 mm），優(yōu)于絕大多數(shù)報(bào)道的磁性金屬基電磁波吸收劑。同時(shí)，引入非金屬元素碳對高熵合金的耐腐蝕性能有所裨益。
總結(jié)來說，該工作利用晶格畸變效應(yīng)優(yōu)化了高熵合金的阻抗匹配，并且豐富了其電磁波損耗形式，闡明了微觀晶體結(jié)構(gòu)變化對高熵合金電磁性質(zhì)的影響，發(fā)掘了高熵合金作為電磁波吸收材料的潛在價(jià)值。
圖1 C000、C012、C037、C050的a)制造工藝示意圖、b)拉曼光譜、c)粒徑大小和含碳量以及d-g)SEM圖像
圖2 FeCoNiCuCx的結(jié)構(gòu)表征及EMA性能：a) C000、C012、C037、C050的功率XRD譜圖；b) XRD圖中各衍射峰的局部放大；c) (111) C000、C012、C037、C050的平面間距和晶格常數(shù)；d) C000的TEM圖像；e) C037的TEM圖像；f) C000的HRTEM圖像；g) f)中白立方區(qū)域的點(diǎn)陣放大圖像；h) C037的HRTEM圖像；i) h)中白色立方區(qū)域的放大點(diǎn)陣圖像；j) h)中黃色立方區(qū)域的局部點(diǎn)陣畸變；k, l) C037中的晶格缺陷；m-o) C000、C037和C050不同厚度下RL值隨頻率的三維圖；p) C000、C012、C037、C050和石墨烯的EAB和相應(yīng)厚度概述
圖3 FeCoNiCuCx退火后的結(jié)構(gòu)表征及EMA性能：a) C037、C037- T200、C037- T450的功率XRD譜圖；b) C037-T200的SAED；c) C037-T450的SAED；d) C037-T200的HRTEM圖像；e-g) d)中黃色立方區(qū)域的嚴(yán)重晶格畸變；h) C037-T450 HRTEM圖像；i, j) h)中黃色立方區(qū)域的連續(xù)大范圍晶格畸變；k) C037、C037- T200、C037- T450的EAB總結(jié)及相應(yīng)厚度；l, m) C037-T200和C037-T450不同厚度下RL值隨頻率的3D圖
圖4 FeCoNiCuCx的電磁參數(shù)：a-d) C000、C037、C037- T200、C037- T450的彩色填充輪廓阻抗匹配圖；e-h) C000、C037、C037- T200和C037- T450的Cole-Cole半圓；i) C000、C012、C037、C050的電導(dǎo)率；j) C037、C037- T200、C037- T450的電導(dǎo)率；k, l) C037薄片邊緣離軸電子全息圖像及相應(yīng)的雜散磁場分布
圖5 a)通過誘導(dǎo)晶格畸變改善阻抗匹配和EM損耗機(jī)制實(shí)現(xiàn)對FeCoNiCuCx吸收性能的調(diào)節(jié)原理圖；b, c)本研究與其他HEA基EMA材料的RLmin和EAB對比總結(jié)
圖6 a-c) CIP片、C000片和C037-T200片在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡14天后的照片；d, e) 晶格畸變對C000和C037-T200耐蝕性的影響；f, g) 電化學(xué)試驗(yàn)第1天和第14天CIP/環(huán)氧涂層鋼、C000/環(huán)氧涂層鋼和C037-T200/環(huán)氧涂層鋼的Nyquist圖；h) 用于模擬涂層鋼EIS數(shù)據(jù)的等效電路；i, j) 在3.5 wt.% NaCl溶液中記錄CIP/環(huán)氧涂層鋼、C000/環(huán)氧涂層鋼和C037-T200/環(huán)氧涂層鋼的Tafel圖
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